脑缺血再灌注损伤神经细胞非谷氨酸依赖性钙离子通道的研究进展

付 于

脑缺血再灌注损伤具有复杂的发生机制,大量研究表明,脑缺血再灌注损伤主要与钙超载、兴奋性氨基酸、氧化应激反应、炎症反应、脑水肿和细胞凋亡等有关。其中,Ca2+超载及其触发的一系列有害代谢反应是导致缺血再灌注损伤神经细胞损伤和死亡的“最后共同通路”[1-2]。目前普遍认为细胞内 Ca2+进行性堆积能够引起缺血性神经元坏死和凋亡,经典的兴奋性毒性理论认为缺血性神经元损伤和死亡是过度激活的离子型谷氨酸受体触发Ca2+经其进入胞内所致。然而针对兴奋性毒性的N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体拮抗剂在临床试验中的失败,提示可能还存在其他非谷氨酸依赖性Ca2+通路[3-5]。

近年来大量研究发现了一些参与控制Ca2+内流或外排、负责维持这种离子动态平衡的整合膜蛋白,包括细胞外酸化时激活的酸感受性离子通道(acid sensing ion channels,ASICs)[6-8],氧化应激或神经元氧-葡萄糖剥夺时激活的瞬时受体电位通道(transient receptor potential protein2、7,TRPM2和 TRPM7)[9-19]以及依赖细胞膜两侧电化学梯度的Na+-Ca2+交换体(Na+-Ca2+exchanger,NCX)[20-21]。推测它们就是引起缺血再灌注神经元损伤和死亡的非谷氨酸依赖的钙离子超载机制的分子基础,因而阻断、抑制或调节非谷氨酸依赖的钙离子通路,成为治疗脑缺血再灌注损伤的更有希望的途径。

根据兴奋性毒性理论,缺血再灌注神经元的损伤和死亡就是Na+和Ca2+经谷氨酸受体进入细胞内的结果,这一理论指导了神经变性领域的基础性研究工作近30年。然而长久以来,第一、二、三代谷氨酸受体拮抗剂虽然在脑缺血再灌注动物试验中均有显著疗效,应用在人类脑卒中和脑外伤时却没有显示出神经保护作用。因此越来越多的研究者对该理论产生了怀疑并重新评价它在缺血性损伤中的作用,认为谷氨酸兴奋性毒性理论仅能解释发生在缺血缺氧性损害急性期的一些事件,不能被看做治疗脑缺血性损伤的主要靶向。近几年来,研究者们发现一些与Ca2+内流或外排有关的非谷氨酸依赖的整合膜蛋白通道,在保持这种离子的动态平衡中起重要作用。

这种非谷氨酸依赖的钙毒性离子通道包括瞬时受体电位通道TRPM2和TRPM7,以及酸感受性离子通道(ASICs),均能够介导Ca2+进入细胞内,引起细胞内Ca2+超载。而Na+-Ca2+转运体(NCX)在细胞内外Na+和Ca2+失衡以及电化学梯度改变时激活,通过正向或逆向模式,将Ca2+或Na+排出细胞外或摄入细胞内以维持它们在细胞内外的动态平衡[20,21]。TRPM7和TRPM2以及ASICs、NCX是近年来发现的在缺血/缺氧性及再灌注损害时能够引起非谷氨酸依赖 Ca2+超载的新角色[22]。

缺血再灌注损伤氧和能量剥夺时,ATP产生降低,Na+/K+-ATP酶功能衰竭,细胞内Na+浓度显著升高,引起细胞膜去极化,电压依赖性Na+和 Ca2+通道开放,细胞外 Na+和Ca2+浓度迅速降低,谷氨酸释放入细胞外间隙,激活具有 Na+和Ca2+通透性的谷氨酸受体NMDAR[6,7],从而放大上述过程,进一步降低细胞外Ca2+浓度。细胞外的Ca2+浓度降低触发更多的Na+和Ca2+经TRPM7通道进入细胞[12-16]。同时细胞内无氧代谢增加乳酸堆积、细胞外酸化/pH值下降,激活ASIC1a通道[8-9],从而允许更多的Na+和Ca2+进入细胞内。最终导致细胞内Ca2+超载,触发活性氧物质/活性氮物质(ROS/RNS)生成,它们以正反馈形式增强TRPM2和TRPM7的活动,进一步加重细胞内 Na+和Ca2+超载[9-19]。而NCX是作为非谷氨酸介导的神经毒性理论中的第3个角色,可以调节细胞内外Na+和Ca2+的平衡,能对细胞内Na+和Ca2+超载有抑制作用。NCX1-3能快速提高对细胞内Ca2+浓度升高和氧化/硝基化应激的反应,细胞内出现Ca2+超载,NCX则以正向模式运行,降低细胞内Ca2+浓度,因此对Ca2+超载引起的神经毒性作用以及随后的细胞死亡有保护作用[19-21]。非谷氨酸依赖性钙离子通道作用机制详见图 1。

图1 非谷氨酸依赖性钙离子通道作用机制示意图

Ca2+超载及其触发的一系列有害代谢反应是导致缺血再灌注损伤神经细胞损伤和死亡的“最后共同通路”。经典的兴奋性毒性理论认为缺血再灌注神经元损伤和死亡是过度激活的离子型谷氨酸受体触发Ca2+经其进入胞内所致,然而,研究发现还存在着非谷氨酸依赖的钙毒性离子通道,包括细酸感受性离子通道(ASICs),瞬时受体电位通道(TRPM 2和 T RPM7)以及Na+-Ca2+交换体(NCX)。它们就是目前发现的引起缺血再灌注神经元损伤和死亡的非谷氨酸依赖的钙离子超载机制的分子基础,因而开发研究选择性的非谷氨酸依赖的钙离子通路阻断剂、抑制剂或调节剂已成为研究热点,对脑缺血再灌注损伤的有效治疗将会具有重大的意义和广阔的应用前景。

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